厂站二次设备多电源切换回路的改造分析

吴志宇，温才权，全杰雄，黎珏强

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司梧州局，广西 梧州543002)



厂站二次设备多电源切换回路的改造分析

吴志宇，温才权，全杰雄，黎珏强

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司梧州局，广西 梧州543002)

为提高部分厂站二次设备的供电可靠性，需要采用多电源切换回路，而多电源切换回路的设计缺陷会对负荷电压稳定性和电源系统造成影响。为此，结合一个采用二极管进行双电源切换回路的实例，通过现场试验分析找出电源切换回路导致两段直流母线互联的缺陷的原因，并提出了完善的改造方案，最后提出电源切换回路设计时需注意的各种问题及防范措施。现有的作业规范并无针对电源切换回路进行详细的检查，对此提出多项简单、可靠的验收措施，防范电源切换对负荷、对电源系统的不安全影响。

直流；双电源；二极管；故障；电容；静止无功补偿装置

厂站二次设备电源回路一般不采用多电源切换机制，但为了提高部分通信装置、自动化装置设备的安全可靠性，采用多电源切换机制。如果切换机制不完善，将会导致一系列的问题发生，如某串补站的串补平台采样装置采用激光供能和电流互感器两种供能方式，在切换过程中，供能电压不稳定造成采样异常，导致保护误动；如某型号电能表采用直流电源供电、电压互感器供电和电池供电3种供电方式，由于切换回路设计问题导致直流系统与交流系统共地，直流系统出现较大的漏电流，导致直流系统绝缘检测装置平衡电阻桥失灵等现象发生。

多电源切换回路的设计、维护及验收，对负荷电压稳定性要求较多，而对系统影响考虑较少。本文将以一个典型的双电源切换回路对供电电源系统的影响机理进行说明并提出完善措施，提出电源切换回路在验收环节的注意事项，以防范此类缺陷再次发生。

1　现状

某厂站静止无功补偿装置(staticvarcompensator,SVC)控制保护系统采用两路直流电源供电，要求在一路直流电源失电时无间断地切换到另一路直流电源。原直流电压切换回路如图1所示。

VD1—VD4分别为二极管；Rp1—Rp4分别为绝缘监测装置的等效平衡电阻；Ub1—Ub2分别为两组蓄电池的极间电压，U1—U6分别为各点对地电压。图1　原直流电压切换回路

从图1可知，两段直流系统分别由蓄电池组、绝缘监测装置(平衡电阻桥法)组成，其额定电压Ur=110V，两段直流电源共同给SVC控制保护系统供电。

绝缘监测装置采用了平衡电阻桥方式[1-3]，直流电源Ⅰ段与Ⅱ段的正极对地电压U1=U3=55V， 负极对地电压U2=U4=-55V。实际上，由于两段直流系统在蓄电池容量、负载及对地绝缘方面存在差异，两段直流系统正负极对地电压并不完全相同。运行中，发现该站直流系统Ⅰ段与Ⅱ段的对地电压完全一致，且在Ⅰ段发生接地时，两段的母线绝缘检测装置均报接地故障，是典型的两段母线互联的特征。下面将其如何影响直流供电电源系统进行详细分析。

2　电源切换导致两段母线互联原因分析

二极管并联直流双电源切换回路的原理是利用二极管单向导电特性，当供电Ⅰ段的电压降低值超过非供电Ⅱ段二极管的导通压降时，供电电源马上转由Ⅱ段供电，实现电源的无间断切换。

如图1所示，设VD1、VD2、VD3、VD4伏安特性曲线一致，导通电压为U，两组蓄电池电压分别为Ub1、Ub2，则两段直流系统正负极对地电压差为Ug=U1-U3=U2-U4。

假如Ⅰ段直流母线先供电，此时VD1、VD2导通，U5=U1-U，U6=U2+U。

当第二路电源瞬间通电时，VD3的压降为U3-U5=Ug+U，VD4压降为U6-U4=Ug+U。

假如Ug>0，VD4导通，两段直流母线电源负极接地互联，得

假如Ug<0，VD3导通，两段直流母线电源正极接地互联，得

由上述计算可见，当直流系统发生接地故障时，相当于接地极的平衡电阻并联了接地电阻，接地极对地电压下降，故障系统正负极电压平衡点发生偏移，当偏移电压达到一定值时，两段直流母线绝缘监测装置均报接地故障，不仅影响故障的查找，更影响变电站二次设备的安全运行。因此，二极管并联直流双电源切换回路对直流电源系统的运行造成极大的安全隐患[4-5]。

3　直流双电源切换回路的改造与现场试验

3.1改进方案1

正常情况下，负载由直流Ⅰ段直流母线供电，两段直流母线电源互为备用，如图2所示。

图2　直流电源切换改造回路1

在Ⅰ段直流母线供电的进线端增加了继电器KC1，当Ⅰ段直流母线电压大于90%额定电压时,KC1动作，并通过继电器KC2切断Ⅱ段直流母线供电，确保两段直流母线不同时对负载进行供电。当Ⅰ段进线电压下降超过90%时，KC1返回并驱动KC2，此时接通Ⅱ段电源的同时切断Ⅰ段电源供电。现场按如图2所示接线方式进行了试验，可实现电源的切换，但负载设备发生了失电重新启动，此时，对负载供电进线端电压进行录波，如图3所示，进线电压在继电器切换过程中发生了突降，持续时间约为50ms。

图3　改造回路1的负载电压录波曲线

3.2改进方案2

继电器在切换动作期间电压突降的问题采用并联电容的方法来解决。如图4所示，在负载供电进线端并接电容，构成电阻-电容回路，并根据KC1切换过程中负载供电电压不小于80%额定电压及实测的负载阻抗计算出所需要的电容值。本案中，Ur=110V，在50ms的继电器切换过程中，电压下降不低于80%Ur，考虑一定的裕度后选取了4 700μF的电容，在现场试验中仍然出现了设备失电重新启动现象。

图4　直流电源切换改造回路2

如图5所示，当断开Ⅰ段直流母线供电回路时，负载电压没有发生突降，由于电容电压的支撑，电压开始缓慢下降，约150ms后，电压下降到KC1的返回值100V，KC1并没有响应。由于KC1的线圈与电容形成回路，电容一直支撑着线圈的励磁电流和负载电流，当电压下降到68V时，负载设备失电停运，此时电容只与KC1线圈形成回路，电容放电变得更缓慢，并持续了约1 960ms，电压下降到约60V时，KC1才返回，此时KC1驱动KC2，才将供电切换到Ⅱ段直流母线。

图5　改造回路2的负载电压录波曲线

3.3改进方案3

造成上述问题的原因是电容与KC1线圈形成回路。KC1是电压型继电器，励磁电流较小，且线圈呈阻感性，电感较大[6]，使线圈无法去励磁，导致继电器无法切换。解决方法：当电压下降到KC1的返回值时，把KC1线圈与电容的回路断开。如图6所示，在KC1与电容器的回路中串联一组二极管，当Ⅰ段直流母线失电时，确保电容不会反供电。

图6　直流电源切换改造回路3

如图7所示，在继电器切换的50ms内，负载电压下降的最低值为92V，大于80%Ur，实现了供电电源的切换，满足要求。加装二极管的另一优点是避免KC2动作、常开接点动作而常闭接点未断开时两段电源直流母线互联的问题。

图7　改造回路3的负载电压录波曲线

4　改进建议

4.1设计过程

改造发现电源切换装置设计应注意如下几点：

a) 切换可靠性。切换期间电压下降不可超过设备的允许值，如设计方案的电压下降值可调，满足各种设备的要求。

b) 运行过程或者切换过程中对多电源系统的影响进行分析，由于多个电源系之间一般不允许有电的直接联系，否则会引起一系列问题。

c) 注意各元件的动作特性配合，如方案2，电压继电器和电容配合不好，导致切换时间过长，设备运行稳定性差。

d) 不能引入平衡电阻，造成直流系统存在漏电流，导致绝缘在线检测装置无法正常工作。

4.2验收过程

按照现有的作业要求，无法检测出直流电源切换的各种问题，如果该类问题在验收时无法发现，需要在众多直流接线中找出互联点、平衡电阻将是一个异常复杂的难题，建议在验收时增加如下作业项：

a) 模拟电源切换，检查设备的运行稳定性。

b) 装置在运行时，检查多个电源系统是否同时供电，如有，则需作进一步分析，一般不允许多电源同时向一负荷供电。

c) 装置通电前后，电源切换的瞬间，注意各直流系统母线电压变化情况，如果通电前两者对地电压不一致，通电后对地电压一致，则可能存在互联的问题。

d) 检查漏电流，正常运行时，正负极电流大小应相等，方向相反，漏电流为0，假如不为0，则可能存在平衡电阻的问题。

5　结束语

本文从一个电源切换回路改造实例出发，探讨电源切换回路、装置的设计注意事项，从设计源头提出完善措施，结合现场的验收特征，探讨现场验收时的检测方法，增加多项措施，从验收角度防范系统风险，避免直流系统互联、降低直流系统平衡电阻等疑难问题的出现，将隐患扼杀在萌芽阶段，进一步确保设备无隐患投运。

[1] 陈元平,李树君,张玉奎.双绝缘监测装置在直流系统中的应用[J].电力系统保护与控制, 2008,36(15):91-93.

CHENYuanping,LIShujun,ZHANGYukui.ApplicationofInsulatedMonitoringDeviceinDCSystemPower[J].SystemProtectionandControl, 2008,36(15):91-93.

[2] 孙鸣,马娟.直流系统微机型绝缘监测装置电阻选择[J].电力系统保护与控制, 2011,39(4):128-131.

SUNMing,MAJuan.TheResistorSelectionofMicrocomputer-basedInsulationMonitorforDCSystem[J].SystemProtectionandControl, 2011,39(4):128-131.

[3] 金根明,徐久荣,曾明.厂站直流系统的接地监测[J].华东电力, 2013,41(7):1566-1568.

JINGenming,XUJiurong,ZENGMing.GroundingDetectionofPowerStationDCSystem[J].EastChinaElectricPower, 2013,41(7):1566-1568.

[4] 沈凯巍, 周兆刚, 张辅纯.直流双电源切换装置在1 000MW机组热工直流电源中的应用[J].电工技术, 2013(3):61-64.

SHENKaiwei,ZHOUZhaogang,ZHANGFuchun,ApplicationofDCDouble-sourceSwitchDevicein1 000MWUnit’sThermalSystemDCPowerSupply[J].ElectricEngineering, 2013(3):61-64.

[5] 黄锷.双电源直流系统的隐性故障分析与查找[J].电工技术, 2010(11):64-67.

HUANGE.AnalysisandExaminationtotheHiddenDangerinDCDouble-sourceSystem[J].ElectricEngineering, 2010(11):64-67.

[6] 赵兵.二次直流系统一点接地故障理论分析[J].电力系统保护与控制, 2012,40(21):138-141.

ZHAOBing.TheoreticalAnalysisofOnePointEarthinginSecondaryDCSystem[J].SystemProtectionandControl, 2012,40(21):138-141.

(编辑王夏慧)

AnalysisonTransformationofMulti-powerSupplySwitchingCircuitsofSecondaryEquipmentinPowerPlantsandStations

WUZhiyu,WENCaiquan,QUANJiexiong,LIJueqiang

(WuzhouPowerSupplyBureauofCSGExtraHighVoltagePowerTransmissionCompany,Wuzhou,Guangxi543002,China)

Inordertoimprovepowersupplyreliabilityofsecondaryequipmentinpowerplantsandstations,itisneededtoadoptmulti-powersupplyswitchingcircuit,whiledesigndefectsofmulti-powersupplyswitchingcircuitmaycauseimpactonstabilityofloadvoltageandpowersourcesystem.Therefore,combiningonecaseofadoptingdiodefordualpowersupplyswitchingandbymeansoffieldtest,thispaperanalyzesandfindsoutreasonsforcausingdefectsoftwosectionsofdirectcurrent(DC)businterconnectionbypowersourceswitchingcircuit.Itpresentsanimpeccabletransformationschemeandproposesvariousproblemsneedattentionandprecautionmeasures.Inviewofthatexistingjobspecificationsdonotinvolveindetailedcheckonpowersourceswitchingcircuit,italsoproposesmulti-itemsimpleandreliableinspectionmeasuressoastopreventunsafeimpactonloadandpowersourcesystemfrompowersupplyswitching.

directcurrent;dualpowersource;diode;fault;capacitor;SVC

2016-04-14

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.019

TM58;TM64

B

1007-290X(2016)07-0097-04

吴志宇(1985)，男，广西梧州人。工程师，工学学士，从事变电站二次系统运行维护工作。

温才权(1986)，男，广东廉江人。工程师，工学学士，从事变电站二次系统运行管理工作。

全杰雄(1988)，男，广西桂平人。助理工程师，工学学士，从事变电站二次系统运行维护工作。